Karbondioksitin dönüşümü

Karbondioksit, sadece bir egsoz gazı değil de kimya endüstrisinde kullanılabilen bir hammadde olsaydı ne olurdu? Sonuçta karbondioksit, hiç de pahalı olmayan ve el altında yığınla bulunabilen bir gaz türü. karbondioksit, başlıca ulaştırma ve ısıtmada karbon içeren yakıtların yakılmasıyla ortaya çıkar. Başta ham petrol olmak üzere benzer yakıtlar kimya endüstrisinde mahsul koruma ürünlerinden plastiklere ve ilaçlara kadar yayılan geniş bir yelpazedeki sayısız ürünün imalatına temel teşkil eder. Bu sentez için gerekli karbon, zaten karbondioksitin de içinde olduğundan belki de bir gün çok pahalı olan ve giderek bulunması zorlaşan bir hammadde olan ham petrolün bir kısmının yerini alabilir. Elsje Alessandra Quadrelli, Fransa’daki CPE Lyon’da (Ecole Supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon) çalışan bir kimyagerdir ve Avrupa Birliği adına karbondioksitten faydalanma fikirleri hakkında araştırmalar yapıyor. Quadrelli’nin hesaplamalarına göre gelecekte karbondioksitten faydalanabilecek tüm teknolojilerin eksiksiz uygulanması, gerekli enerji döngülerinin yenilenebilir enerjiyle beslenmesi ve fosil yakıtların yerine kısmen karbondioksitin kullanılması şartıyla 250 milyon ile 350 milyon metrik ton hacminde karbondioksitten tasarruf edilebilir. Araştırmacı, bu işin avantajlarının çok net olduğuna inanıyor: Böylece birçok diğer şeyin yanı sıra fosil enerji kaynakları korunacak, kimya endüstrisinin fosil hammaddelere olan bağımlılığı azaltılacak ve yenilenebilir enerjinin yaygınlaşması desteklenmiş olacak. Bu yüzden BASF uzmanları, hammadde değişikliği teknolojileri alanında alternatif hammaddelerin kullanımına yönelik yöntemler üzerinde araştırmalar yapıyor ve bu süreçleri teknolojik, çevresel ve ekonomik etkilerini dikkate alarak değerlendiriyorlar. Sonuçta bu gibi yatırımlar, sadece gelecek vadeden teknolojilerin makul bir fiyatla hayata geçirilebilmesi şartıyla ekonomik anlamda geçerlilik kazanabilir. BASF’ın Süreç Araştırmaları ve Kimya Mühendisliği Teknoloji Platformu’nun başındaki Dr. Peter Schuhmacher, “karbondioksit, kimya endüstrisinin hammadde portföyünde belirli uygulamalar için bir dereceye kadar tamamlayıcı bir rol oynayabilir” diyor. Bu gaz enerji santralleri veya kimya fabrikaları gibi büyük miktarlarda salımın yapıldığı yerlerden toplanabilir. Ancak karbondioksitten hammadde olarak faydalanılması salımların iklimsel etkisini yok etmeyecek. Bugün dünya genelinde her yıl 30 milyar metrik tondan fazla karbondioksit salımı yapılıyor. Ancak bu miktarın sadece küçük bir kısmı, yani şimdilik global salımların sadece yüzde 0,4’lük oranı hammadde olarak kullanılabilir. Almanya’da karbondioksitten malzeme kullanımı hakkında yaklaşık 30 projeyi destekleyen Almanya Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı’ndan Profesör Dr. Johanna Wanka, 2013 yılında Berlin’de bu alanda çalışan bilim ve endüstri ortaklarının katıldığı bir konferansta konuşma yaparken, “Bu bizim iklimi kurtarmamıza yetmeyecek” demişti. Ayrıca her şeye rağmen karbondioksit kullanımı kaynakların korunmasına belirli ölçüde katkıda bulunabilir diye de eklemişti. Karbondioksitten yapılan ürünler Çok sayıda potansiyel uygulamanın halen alacağı çok yol var. Ancak şimdiden karbondioksitten hammadde olarak faydalanılarak imal edilen ürünler de yok değil. Bunlardan biri de aspirinin ilk hali olan salisilik asittir. Ayrıca karbonatlı içecekleri köpürten de karbondioksittir. Suni gübrelerin temel maddesi olan ürenin imalatında da bu gazdan devasa hacimlerde faydalanılıyor. karbondioksit ayrıca gıda endüstrisinde soğutucu ve dondurucu bir aracı olarak da kullanılıyor ve ambalajlı yiyeceklerle sosislerin uzunca bir süre taze kalmasını da sağlıyor. Kuru temizleyiciler ise elbiselerden kirin çıkartılmasında faydalanıyor. Gelecekte endüstriyel gaz salımlarının hapsedilmesi ve yeniden kullanılması hedefleniyor. Araştırmacı Quadrelli, bu durumu, artık gaz salımı yapmayan ama yeni kullanım alanları da bulan bir ekonomi anlamına gelecek şekilde “karbondioksit ekonomisi”diye tanımlıyor. Karbondioksitten formik asit? BASF aynı zamanda karbondioksitten faydalanılması üzerinde de çalışıyor. Bu şirketin en büyük tesisi olan Almanya Ludwigshafen’deki Verbund yerleşkesinde, bir fabrikada üretim süreçlerinden ortaya çıkan atık ürünler ve buhar, diğer fabrikalarda hammadde ve enerji olarak kullanılıyor. Bu sistem, Verbund Üretimi adıyla biliniyor. Bu üretim kompleksinde ortaya çıkan karbondioksitin bir kısmı, gelecekte mesela formik asit imalatı için bu kavrama entegre edilebilir. Aslında iyi bilinen bir kimyasal ürün olan formik asitten, her yıl dünya genelinde yaklaşık 600 bin metrik ton üretiliyor. Örneğin hayvan yemi üreticileri, formik asitten katkı maddesi olarak faydalanıyor. Aynı zamanda otobanların ve sokakların buzlanmasının önlenmesinde ve üstün kaliteli deri işleme süreçlerinde de kullanılıyor. Tüm bunların dışında formik asit evlerde ve endüstriyel temizlik işlerinde bir hayli etkili bir kireç tortusu çıkarıcısıdır. Ancak bu asidin karbon monoksit ve sudan geleneksel sentetik yöntemlerle üretilmesi adeta kaynak israfıdır. BASF araştırmacılarından Dr. Rocco Paciello, “Nihayetinde saf bir ürün elde etmek için dünyanın enerjisi gerekir” diyor. Bu yüzden o ve meslektaşları, son birkaç yıldır yeni ve çok daha etkin olması beklenen süreçler üzerinde çalışıp duruyor. Uzmanlar, karbondioksit hakkında çok umutlu. Paciello, “Kimyasal anlamda karbondioksite en fazla benzeyen madde formik asittir” diyor. Bu yüzden olası en düşük enerji girdisiyle karbondioksitten üretilebilecek mamullerden biri bu asittir.~Meydan okumalar artıyor Ancak BASF ekibinin üstesinden gelmesi gereken halen çok sayıda meydan okuma var. Bu meydan okumalar, karbondioksitin termodinamik özellikleriyle ilişkili: Kimyager Paciello, bu sorunu şöyle özetliyor: “Teoride karbondioksit ile ilgili sayısız olasılık var. Ancak karbondioksit, aşırı düşük enerjili ve atıl bir gaz. Bu yüzden reaksiyonların çoğu için devasa miktarlarda enerji gerekiyor. Eğer enerji tüketimi çok fazla ise süreç maliyet etkin değil” diyor. Bu sorunun çözümünün sırrı ise doğru katalizörlerin, yani reaksiyonun başlamasına yardımcı olan maddelerin bulunmasında yatıyor. Ekip, gerekli aktivasyon enerjisi miktarını azaltarak reaksiyonun çok daha verimli olmasını sağlıyor. Sonuçta kimya endüstrisindeki tüm üretim süreçlerinin yüzde 80’inden fazlasının kesitsel bir teknoloji olan katalizörlere bağımlı olmasına hiç şaşmamak gerekir. Formik asitin karbondioksitten başarılı bir şekilde üretilmesi, aynı zamanda doğru katalizörlerin seçilip seçilmediğine de bağlıdır. Bu sürecin arkasındaki kimya 1970’lerden beri biliniyor. Ancak uzun zamandır hiç kimse bu teoriyi maliyet etkin bir yoldan pratiğe geçirmeyi başaramadı. Paciello, “Biz uygun katalizörler kullanarak bu süreci, enerji kullanımını optimumlaştıracak şekilde değiştirdik” diyor. Ludwigshafen’deki BASF tesisinde daha şimdiden pilot bir tesis inşa edildi bile. İlk buluşlar Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, bugünlerde karbondioksitten kimyasal hammadde yapmakla ilgili çalışmaları sonucunda ilk buluşlarını ortaya çıkarmaya başladı. Bu başarıda en büyük katkı, başlıca üniversitelerde yapılan temel araştırmalardan geliyor, çünkü teknolojiyi laboratuvarlardan endüstriyel uygulamalara dönüştürüyorlar. Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi ile BASF Süreç Araştırmaları ve Kimya Mühendisliği Yeterlilik Merkezi, işte bu yüzden Heidelberg’de ortakların yeni katalizörler geliştirmek üzerinde çalışacakları ve birlikte işletecekleri Kataliz Araştırmaları Laboratuvarı’nı (CaRLa) kurmak için 2006 yılında işbirliğine gitti. CaRLa’nın kuruluşuna ön ayak olan Heidelberg’den Profesör Dr. Peter Hoffman, “CaRLa’daki araştırmaların odak alanlarından biri de halen ham petrolden üretilen ve içinde kaplamaya yönelik hammaddelerin de olduğu belirli plastiklerin üretiminde karbondioksitin bir hammadde olarak kullanılmasına olanak sağlayacak uygun katalizörleri bulmaktır” diyor. Politika yapıcılardan destek karbondioksitten faydalanılmasıyla ilgili yeni projelerin başlatılmasına hükümetler de mali destek veriyor. Örneğin ABD Enerji Bakanlığı, son yıllarda benzer projelere yaklaşık 150 milyon dolar tutarında bir yatırım yaptı. Almanya, 2016 yılına kadar inovasyoncu karbondioksit fikirlerine 132 milyon dolar (100 milyon Euro) civarında yatırım yapmak isterken diğer yandan 66 milyon dolar da (50 milyon Euro) endüstriden geliyor olacak. Çin hükümeti de karbondioksit tabanlı hammaddelerin potansiyeline inanıyor. Kimya Mühendisliği ve Biyoteknoloji Derneği’ne göre (DECHEMA) ortaklarıyla birlikte karbondioksitin geri kazanımıyla ilgili ulusal projelere yaklaşık 200 milyon dolar (150 milyon Euro) harcıyorlar. Bu arada Japonya da ham petrole olan bağımlılığını azaltmak istiyor. Bu ülkenin Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanı’na göre artan fiyatların ışığında petrole dayalı olmayan hammaddelere olan talepte bir artış var. Bu yüzden 2012 yılı sonlarında açılan ve suni fotosentez yapabilen bir pilot tesisi gibi projeleri destekliyorlar. Işığın ve katalizörlerin yardımıyla bu tesis, kimya endüstrisinde kullanılan bir hammadde olan hidrokarbonları üretebilmek için yanı başındaki enerji santralinin karbondioksitinden faydalanacak. İşte tüm bu girişimler, kaynakların korunmasına yardımcı olacak şekilde karbondioksit tabanlı yeni süreçlerin geliştirilmesini teşvik ediyor. Ancak karbondioksitin geri kazanılma olasılıklarının fosil yakıtların müsrifçe kullanılmasının önünü açmaması gerektiğine dikkat çeken BASF araştırmacısı Paciello, “Öncelikle salımların engellenmesi çok önemli ve bu konuda bize yardım etmek için herkes üstüne düşeni yapmalı” diyor.~Kilit bir hammadde
Karbon atmosfere salındığından daha fazla karbondioksitle birleştiğinde, geri kazanımı çevre açısından gerçekten çok faydalı olur. Atıl karbondioksit moleküllerini reaksiyona geçirmek için muazzam boyutta bir enerji gerekir. Yani yeterince karbondioksit salımı yapan kömürle çalışan enerji santrallerinden gelen enerjinin pek faydası olmaz. Uzmanlar onun yerine rüzgar ve güneş enerjisinin yaygınlaştırılması gerektiğini söylüyor. Hatta karbondioksit, ihtiyaç fazlası yeşil enerjinin çok daha verimli kullanılmasına bile katkıda bulunabilir. Günümüzde yenilenebilir kaynaklar, bazen şebekeye verilebileceğinden fazla elektrik üretiyor. Bu enerji elektrikten gaza denilen bir süreçle reaktant olarak karbondioksit kullanılan iki aşamalı bir prosedürle doğalgaza (metan) dönüştürülebilir. İlk aşamada ihtiyaç fazlası yeşil enerji, suyun (H2O) hidrojen (H2) ile oksijene (O2) ayrıştırılmasında bir enerji girdisi olarak kullanılır. Sonra bu hidrojen CO2 ile reaksiyona girerek metan gazını (CH4) oluşturur. Metan ise mevcut doğalgaz şebekesine kolaylıkla aktarılabilen, gerektiğinde kullanılabilen ve depolanabilen türden bir enerjidir. İzlandalı Carbon Recycling International (CRI) adındaki firma, doğal enerji kaynağı olarak İzlanda’nın kaplıcalarından faydalanarak elde ettiği jeotermal enerjiyle karbondioksitten metanol üretiyor. CRI, bu karbon nötr yöntemi kullanarak metanol üreten ilk ticari tesisini 2011 yılında açtı. Bu şirket, gelecekte bir gün karbondioksitten yılda yaklaşık 50 milyon litre bu alkolden üretmeyi planlıyor. Bu alkolden, mesela yakıt pilleri için enerji yaratıyor veya benzinle karıştırılarak faydalanılabiliyor. BASF, Linde ve ThyssenKrupp geçenlerde iki aşamalı inovasyoncu bir süreçle karbondioksitle hidrojenden sentez gazı üretecek bir proje başlattı. Bu konseptin ilk aşamasında yeni bir yüksek ısı teknolojisi, hidrojen ve karbon üretmek için doğalgazı bir işlemden geçiriyor. Diğer süreçlere kıyasla bu teknoloji çok az miktarda karbondioksit üretiyor. Ardından elde edilen hidrojen sentez gazı üretmek için diğer endüstriyel süreçlerden de gelebilen büyük hacimlerde karbondioksit ile reaksiyona giriyor. Bu gaz aslında kimya endüstrisi için kilit bir hammadde ve ayrıca çeşitli yakıtların üretilmesine de uygun.

Gelecek vadeden bir bakteri
Bas a succiniciproducens: BASF araştırmacılarının bu bakteriden beklentileri çok yüksek. BASF’ın kimyasal ve biyokimyasal ürünler imalatında mikro organizmalardan faydalanılmasını amaçlayan Beyaz Biyoteknoloji adlı teknoloji alanında bu bakteri önemli bir rol oynuyor. Doğal bir fermentasyon aracılığıyla Bas a succiniciproducens dizinindeki bakteri, kısa bir sürede süksinik asit üretebiliyor ve karbondioksite bağlanabiliyor. BASF ve ortağı Purac, bu yılın sonuna doğru İspanya’da yıllık 10 bin metrik ton kapasiteli bir süksinik asit üretim fabrikasını ortaklaşa açmayı planlıyor. Eğer bu proje başarılı olursa daha büyük, başka bir tesis daha inşa edilecek. Süksinik asit, günümüzde biyoplastikler, kimyasal ara ürünler, çözücüler ve akışkanlaştırıcılar gibi uygulamalarda kullanılıyor. Bir ineğin işkembesindeki bu bakteriyi, ilk defa 2005 yılında BASF araştırmacıları ayrıştırdı ve bu yüzden de bu şirketin isminin içinde Bas a kelimesi vardır. Succiniciproducens kelimesinin anlamı ise “süksinik asit üretimi”dir.